KR20150056344A - 연료전지 스택 및 그의 온도 제어방법 - Google Patents

Abstract

연료전지 스택이 개시된다. 개시된 연료전지 스택은 다수 매의 단위 셀들이 연속적으로 배열되며, 단위 셀들로 반응기체를 유입시키기 위한 매니폴드를 형성하고 있는 것으로서, ⅰ)매니폴드에 삽입되는 인서트부재와, ⅱ)인서트부재에 매립되며, 전원을 인가받아 열을 발생시키는 열원부와, ⅲ)매니폴드 내부의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하기 위해 인서트부재에 매립되는 온도 센서를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 스택 및 그의 온도 제어방법 {FUEL CELL STACK AND METHOD FOR CONTROLING TEMPERATURE OF THE SAME}

본 발명의 실시예는 연료전지 스택 및 그의 온도 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매니폴드를 통해 단위 셀들로 유입되는 반응기체의 온도를 조절할 수 있는 연료전지 스택 및 그의 온도 제어방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로서, 대개 연료전지 차량에 적용되고 있다.

연료전지 시스템은 연료전지 스택, 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급부, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부 및 연료전지 스택의 반응열과 물을 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열/물 관리 장치를 구비하고 있다.

연료전지 스택은 수십에서 수 백장의 단위 셀들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체로 이루어지며, 단위 셀은 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 배치하여 구성될 수 있다.

이러한 연료전지 스택은 연속적으로 적층된 단위 셀들의 최 외측(양측)에 설치되는 엔드 플레이트를 구비하며, 이들 엔드 플레이트는 체결수단을 통해 체결되며 단위 셀들을 가압한다.

그리고, 단위 셀들의 세퍼레이터에는 반응기체(수소와 공기)와 냉각수를 공급 및 배출하기 위한 매니폴드를 형성하고 있으며, 어느 한 쪽의 엔드 플레이트에는 매니폴드와 연결되는 반응기체 입구 및 출구를 형성하고 있다.

따라서, 엔드 플레이트의 반응기체 입구로 공급된 반응기체는 매니폴드를 따라 유동하며 단위 셀들로 공급되고, 단위 셀들에 공급되고 남은 반응기체는 다른 매니폴드를 따라 유동하며 엔드 플레이트의 반응기체 출구를 통해 배출될 수 있다. 이 과정에 연료전지 스택은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키게 된다.

그런데, 이와 같은 연료전지 스택에서 반응기체는 가습기를 통해 수분을 함유한 상태로 매니폴드를 통해 단위 셀들로 공급되는 바, 그 반응기체의 온도에 비해 상대적으로 낮은 단위 셀들로 유입될 때 수분이 응축될 수 있다.

이로 인해 종래 기술에서는 반응기체 중의 수분이 응축되면서 그 응축수가 세퍼레이터의 유로를 막아 셀 성능이 저하될 수 있으며, 전기 에너지의 셀 편차가 발생할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 매니폴드로 유입되는 반응기체의 온도를 기준으로 매니폴드의 내부 온도를 조절하여 반응기체 중의 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 스택 및 그의 온도 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은, 다수 매의 단위 셀들이 연속적으로 배열되며, 상기 단위 셀들로 반응기체를 유입시키기 위한 매니폴드를 형성하고 있는 것으로서, ⅰ)상기 매니폴드에 삽입되는 인서트부재와, ⅱ)상기 인서트부재에 매립되며, 전원을 인가받아 열을 발생시키는 열원부와, ⅲ)상기 매니폴드 내부의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하기 위해 상기 인서트부재에 매립되는 온도 센서를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 인서트부재는 상기 단위 셀들의 유로 방향으로 개방된 개방부를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 매니폴드의 유로 단면이 사각 형상일 경우, 상기 인서트부재는 상기 매니폴드의 길이 방향에 따른 상하면 및 그 상하면을 연결하는 단일의 측면을 형성하고, 상기 측면에 대향하는 개방부를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 인서트부재는 열 전도율이 높고 전기 전도율이 낮은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열원부는 전기적인 저항으로서 열을 발생시키는 열선을 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 온도 제어방법은, 연속적으로 배열된 다수 매의 단위 셀들로 반응기체를 공급하기 위한 매니폴드와, 상기 매니폴드에 삽입되는 인서트부재와, 상기 인서트부재에 매립된 열원부 및 온도 센서를 포함하는 연료전지 스택을 제공하며, 상기 온도 센서를 통해 매니폴드 내부의 온도를 측정하고, 다른 온도 센서를 통해 반응기체의 매니폴드 유입 온도를 측정하며, 상기 매니폴드 내부의 온도와 반응기체의 매니폴드 유입 온도를 비교하여 그 반응기체의 매니폴드 유입 온도가 매니폴드 내부의 온도 보다 높은 것으로 판단되면, 상기 열원부로 전원을 인가하여 열을 발생시키고, 상기 온도 센서를 통해 매니폴드 내부의 온도를 측정하며, 상기 매니폴드의 내부 온도가 반응기체의 매니폴드 유입 온도와 같거나 기 설정된 온도만큼 상승한 것으로 판단되면, 상기 열원부로 인가되는 전원을 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택의 온도 제어방법은, 상기 매니폴드의 내부 온도는 반응기체의 매니폴드 유입 온도 보다 2℃ 높게 설정할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 매니폴드로 유입되는 반응기체의 온도를 기준으로 인서트부재에 매립된 열원부의 열선으로 전원을 선택적으로 인가하며 매니폴드 내부의 온도를 조절할 수 있으므로, 매니폴드로 유입되는 반응기체 중의 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 응축수로 인해 세퍼레이터의 유로가 막히는 블로킹 현상을 방지할 수 있고, 전체 연료전지 스택의 셀 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 전기 에너지의 셀 편차 발생을 방지할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 일부 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 온도 제어방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 일부 분해 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 연료인 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀들(11)의 전기 발생 집합체이다. 이러한 단위 셀들(11)은 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 유로를 형성하고 있는 세퍼레이터(분리판)를 배치하여 구성된다.

이하에서는 전기 에너지를 발생시키기 위해 연료전지 스택(100)으로 공급되는 수소와 공기를 반응기체로 정의한다.

단위 셀들(11)은 수 십 내지 수 백장의 다수 매로 배열되며, 그 단위 셀들(11)에는 세퍼레이터의 유로로 반응기체를 공급하기 위한 매니폴드(13)를 형성하고 있다. 즉, 단위 셀들(11)에는 수소 및 공기를 제공받기 위한 각각의 매니폴드(13)를 형성하고 있다.

여기서, 단위 셀들(11)에는 반응기체를 배출하기 위한 매니폴드도 구비하고 있으나, 본 발명의 실시예에서 언급하는 매니폴드는 반응기체를 단위 셀들(11)로 공급하는 것으로 정의할 수 있다.

그리고, 연속적으로 배열된 단위 셀들(11)의 최 외측(양측)에는 엔드 플레이트(21)가 각각 배치된다. 엔드 플레이트(21)는 체결유닛(도면에 도시되지 않음)에 의해 상호 체결되면서 이들 사이의 단위 셀들(11)을 최 외곽에서 가압한다. 이러한 엔드 플레이트(21)에는 매니폴드(13)와 연결되는 반응기체 유입구를 형성하고 있다.

상기에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 매니폴드(13)로 유입되는 반응기체의 온도를 기준으로 그 매니폴드(13)의 내부 온도를 조절하여 반응기체 중의 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택(100)은 기본적으로, 인서트부재(30), 열원부(50) 및 온도 센서(70)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 인서트부재(30)는 매니폴드(13)에 삽입되는 것으로, 예를 들면 단위 셀들(11)의 금속재 세퍼레이터에 대하여 열 전도율이 높고, 전기 전도율이 낮은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.

상기 인서트부재(30)는 매니폴드(13)의 유로 단면이 사각 형상일 경우, 도면을 기준할 때 매니폴드(13)의 길이 방향에 따른 상면(31) 및 하면(32) 그리고 상하면(31, 32)을 연결하는 단일의 측면(33)을 형성하고 있으며, 그 측면(33)에 대향하는 부분이 개방된 개방부(35)를 형성하고 있다.

여기서, 상기 개방부(35)는 단위 셀들(11)의 세퍼레이터에 형성된 유로 측으로 개방되어 있다.

대안으로서, 상기 인서트부재(30)는 본 발명의 실시예에서와 같이 매니폴드(13)의 유로 단면에 대응하여 상하면(31, 32) 및 측면(33)을 가진 형상으로 이루어지는 것에 반드시 한정되지 않고, 반응기체의 흐름에 변화를 줄 수 있는 다양한 형상으로도 변형 가능하다.

본 발명의 실시예에서, 상기 열원부(50)는 전원을 인가받아 전기적인 저항으로서 열을 발생시키는 것으로, 예를 들면 열선(51)을 포함한다. 이러한 열선(51)은 인서트부재(30)의 내부에 매립 설치될 수 있다.

이와 같이 열선(51)을 인서트부재(30)의 내부에 매립 설치하는 이유는 전기가 흐르는 열선(51)이 단위 셀들(11)의 금속재 세퍼레이터에 직접적으로 노출되지 않게 하여 단위 셀들(11)의 전기적인 쇼트 문제와 절연 문제를 해결하기 위함이다.

그리고 본 발명의 실시예에서, 상기 온도 센서(70)는 매니폴드(13) 내부의 온도를 측정하기 위한 것으로, 그 매니폴드(13)의 내부 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력한다.

이하 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 온도 제어방법을 도 1 및 도2를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 온도 제어방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 수소 공급부 및 공기 공급부(도면에 도시되지 않음)를 통해 반응기체를 단위 셀들(11)로 공급하는 과정에, 온도 센서(70)를 통해 매니폴드(13) 내부의 온도(t1)를 측정하고(S11 단계), 그 온도 측정값을 제어기(90)로 출력한다.

이와 동시에, 본 발명의 실시예에서는 다른 온도 센서(도면에 도시되지 않음)를 통해 반응기체의 매니폴드 유입 온도(t2), 예를 들면 반응기체 공급라인의 온도를 측정하고(S12 단계), 그 온도 측정값을 제어기(90)로 출력한다.

그러면, 제어기(90)는 매니폴드(13) 내부의 온도(t1)와 반응기체의 매니폴드 유입 온도(t2)를 비교하여 그 반응기체의 매니폴드 유입 온도(t2)가 매니폴드(13)의 내부 온도(t1) 보다 높은 것으로 판단되면(S13 단계), 열원부(50)의 열선(51)으로 전원을 인가한다(S14 단계). 반대로 상기 S13 단계에서 반응기체의 매니폴드 유입 온도(t2)가 매니폴드(13)의 내부 온도(t1) 보다 낮은 것으로 판단된 경우에는 상기한 S11 단계로 복귀한다.

이에, 상기 열선(51)에서는 전기적인 저항으로서 열을 발생시키며, 매니폴드(13)의 내부 온도(t1)를 상승시키게 된다.

다음으로, 본 발명의 실시예에서는 온도 센서(70)를 통해 매니폴드(13) 내부의 온도(t1)를 측정하고(S15 단계), 그 온도 측정값을 제어기(90)로 출력한다.

그러면, 제어기(90)는 매니폴드(13)의 내부 온도(t1)가 반응기체의 매니폴드 유입 온도(t2)와 같거나 그 유입 온도(t2) 보다 기 설정된 온도(예를 들면 2℃)만큼 상승한 것으로 판단되면(S16 단계), 열원부(50)의 열선(51)으로 인가되는 전원을 차단한다(S17 단계). 반대로 상기 S16 단계에서 매니폴드(13)의 내부 온도(t1)가 반응기체의 매니폴드 유입 온도(t2)와 같지 않거나 기 설정된 온도만큼 상승하지 않은 것으로 판단된 경우에는 상기한 S14 단계로 복귀한다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100) 및 그의 온도 제어 방법에 의하면, 매니폴드(13)로 유입되는 반응기체의 온도를 기준으로 인서트부재(30)에 매립된 열원부(50)의 열선(51)으로 전원을 선택적으로 인가하며 매니폴드(13) 내부의 온도를 조절할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 열원부(50)의 열선(51)을 통해 열을 발생시키며 매니폴드(13)의 내부 온도를 반응기체의 매니폴드 유입 온도와 같게 하거나 그 유입 온도 보다 기 설정된 온도만큼 상승시킴으로써 매니폴드(13)로 유입되는 반응기체 중의 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 응축수로 인해 세퍼레이터의 유로가 막히는 블로킹 현상을 방지할 수 있고, 전체 연료전지 스택의 셀 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 전기 에너지의 셀 편차 발생을 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

11... 단위 셀 13... 매니폴드
21... 엔드 플레이트 30... 인서트부재
31... 상면 32... 하면
33... 측면 35... 개방부
50... 열원부 51... 열선
70... 온도 센서 90... 제어기

Claims (7)

1. 다수 매의 단위 셀들이 연속적으로 배열되며, 상기 단위 셀들로 반응기체를 유입시키기 위한 매니폴드를 형성하고 있는 연료전지 스택으로서,
   상기 매니폴드에 삽입되는 인서트부재;
   상기 인서트부재에 매립되며, 전원을 인가받아 열을 발생시키는 열원부; 및
   상기 매니폴드 내부의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하기 위해 상기 인서트부재에 매립되는 온도 센서
   를 포함하는 연료전지 스택.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 인서트부재는 상기 단위 셀들의 유로 방향으로 개방된 개방부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 매니폴드의 유로 단면이 사각 형상일 경우,
   상기 인서트부재는 상기 매니폴드의 길이 방향에 따른 상하면 및 그 상하면을 연결하는 단일의 측면을 형성하고, 상기 측면에 대향하는 개방부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 인서트부재는 열 전도율이 높고 전기 전도율이 낮은 플라스틱 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 열원부는 전기적인 저항으로서 열을 발생시키는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
6. 연속적으로 배열된 다수 매의 단위 셀들로 반응기체를 공급하기 위한 매니폴드와, 상기 매니폴드에 삽입되는 인서트부재와, 상기 인서트부재에 매립된 열원부 및 온도 센서를 포함하는 연료전지 스택의 온도 제어 방법으로서,
   상기 온도 센서를 통해 매니폴드 내부의 온도를 측정하고, 다른 온도 센서를 통해 반응기체의 매니폴드 유입 온도를 측정하며;
   상기 매니폴드 내부의 온도와 반응기체의 매니폴드 유입 온도를 비교하여 그 반응기체의 매니폴드 유입 온도가 매니폴드 내부의 온도 보다 높은 것으로 판단되면, 상기 열원부로 전원을 인가하여 열을 발생시키고;
   상기 온도 센서를 통해 매니폴드 내부의 온도를 측정하며;
   상기 매니폴드의 내부 온도가 반응기체의 매니폴드 유입 온도와 같거나 기 설정된 온도만큼 상승한 것으로 판단되면, 상기 열원부로 인가되는 전원을 차단하는 연료전지 스택의 온도 제어방법.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 매니폴드의 내부 온도는 반응기체의 매니폴드 유입 온도 보다 2℃ 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 온도 제어방법.

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